摘 要：目的 探讨常规CT联合虚拟去钙技术(VNCa)对早期股骨头坏死(ONFH)诊断的价值。方法 前瞻性搜集2020年9月至2021年4月本院拟诊断为ONFH的患者共58例，排除骨折、骨性关节炎，先天性髋关节发育不良、髋关节置换术后、无MR检查患者30例，经X线检查或CT检查排除ONFH(3、4期)髋关节19个，共纳入28例共37个髋关节，获得髋关节双能CT及MR图像时间间隔不超过5天。由两名未知MR结果及临床诊断的影像科医师独立对常规CT图像(A组)及常规CT联合VNCa图像(B组)进行ONFH的诊断，以MRI作为诊断“金标准”,使用Kappa值检验两位放射医师对ONFH诊断的一致性，对于出现分歧的结果由另一名高年资影像科医师决定诊断。将VNCa图像及MR显示骨髓水肿(BME)区域范围进行划分，小于股骨头及股骨颈面积的1/3记为1分，1/3～2/3记为2分，大于2/3记为3分，比较两种方法显示BME范围是否存在差异。结果 两名阅片者应用两种方法对ONFH的诊断一致性较高(Kappa值分别为0.87、0.90),对A组的敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值分别为45.0%、94.1%、59.3%、90.0%、对B组的敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值分别为80.0%、88.2%、88.9%、78.9%,联合VNCa后敏感度及阳性预测率均较常规CT有所提高。对VNCa图像和MRI所示BME范围的大小进行t检验P=0.759,说明两种成像方法对BME范围的显示无统计学差异。结论 常规CT联合VNCa图像能够提高CT对早期ONFH的诊断性能，在MRI使用受限的情况下可以作为替代。
关键词：早期股骨头坏死 骨髓水肿 虚拟去钙技术 双能CT
Feasibility Study of Conventional CT Combined with Virtual Non-Calcium Dual-Energy Computed Tomography in the Diagnosis of Early Stage Osteonecrosis of Femoral Head
WANG Shuang FAN Xiaofei ZHANG Butian
Department of Radiology, China Japan Union Hospital of Jilin University;
Abstract：Objective To explore the value of conventional CT combined with virtual decalcification(VNCa) technology in the diagnosis of early femoral head necrosis. Methods From September 2020 to April 2021, a prospective study of 58 patients with osteonecrosis of the femoral head(ONFH) in our hospital was conducted. Fractures, osteoarthritis, congenital hip dysplasia, and hip replacement were excluded. After 30 patients without MR examination, 19 hip joints with ONFH(stage 3 and 4) were excluded by X-ray examination or CT examination. A total of 37 hip joints in 28 cases were included, and the dual-energy CT and MR image interval of hip joints were obtained.The duration of acquiring CT and MR images should not be exceeded for 5 days.Two independent radiologists who were blinded to MRI results and clinical information made diagnosis by conventional CT images and conventional CT combined with VNCa images. Interobserver agreement for the visual evaluation of VNCa images was calculated with Kappa statistic. MRI was used as the standard reference. Another senior radiologist decided the final diagnosis if there were disagreements.The area of bone marrow edema showed by VNCa and MR was set to 1 point if it was less than the one third area of femoral head and neck, 2 points if it was between one third and two third, and 3 points if it was more than two thirds.Comparedthe two methods with Student's t test. Results Interobserver agreement was excellent(Kappa=0.87,0.90).The sensitivity, specificity, positive predictive value and negative predictive value of group A and group B in the diagnosis of early stage osteonecrosis of femoral head were 45.0%,94.1%,59.3%,90.0% and 80.0%,88.2%,88.9%,78.9%,respectivel.The sensitivity and positive predictive value of group B were higher than those of group A.The Student's t test result of BME area shown on VNCa image and MRI indicated that there was no statistical difference between the two examinations.(P= 0.759,higher than 0.05). Conclusion Conventional CT combined with VNCa images can improve the diagnostic performance of CT for early ONFH, and can be used as an alternative when the use of MRI is limited.
Keyword：Early stage osteonecrosis of femoral head; Bone marrow edema; Virtual non-calcium technique; Dual-energy computed tomography;
股骨头坏死(osteonecrosis of femoral head, ONFH)是一种致残性疾病，在我国好发于40～50岁年龄段人群，男性居多[1]。ONFH一旦发生股骨头皮质塌陷(3期)或骨性关节炎(4期),统称为ONFH晚期，髋关节置换术就成为唯一选择。因此，股骨头塌陷前即早期诊断并治疗对能否保留髋关节至关重要。MRI是早期诊断及预后判断的首选方法，主要原因是由于MRI对骨髓内变化敏感，尤其能够判断骨髓水肿(bone marrow edema, BME)的存在，并且评价BME的范围及位置，而后者是评估预后和预判股骨头塌陷的重要指标[2]。双能CT虚拟去钙技术(virtual non-calcium technique, VNCa)的出现能够提供BME的成像，弥补常规CT诊断早期ONFH的局限性。本研究旨在探究常规CT联合VNCa图像对早期ONFH诊断的可行性。
1 资料和方法
1.1 一般资料
搜集2020年9月至2021年4月本院拟诊断为ONFH的患者共58例，排除骨折、骨性关节炎，先天性髋关节发育不良、髋关节置换术后、无MR检查患者30例，再经一名骨肌系统影像科医生(从事骨肌系统诊断15年)通过X线检查及常规CT检查排除ONFH晚期髋关节19个，共纳入28例共37个髋关节，获得髋关节双能CT及MR图像时间间隔不超过5天。
本研究经医院伦理委员会批准，所有患者均签署知情同意书。
1.2 CT图像扫描
使用第三代双能CT(Siemens Healthineer Somatom Definition Force)对患者进行双髋图像采集，患者取仰卧位，头尾位，采用双能量扫描方案(准直器宽度128× 0.6 mm; 螺距0.6;旋转时间0.5 s)。A、B管球的管电压分别为90 kV、Sn150 kVp。A、B管球管电流分别为220 mAs, 138 mAs, 采用Admire 3 迭代重组，重组层厚1 mm, 混合能量线性融合图像作为常规 CT图像。
1.3 MR图像扫描
使用Siemens Skyra 3.0 T对患者进行髋关节扫描，腹部线圈。MRI扫描方案包括轴位T1WI TSE[TR 537 ms, TE 8.2 ms; 矩阵大小384×202;视野(FOV)360 mm×270 mm; 截面厚度3.5 mm; 层间距0.7 mm];冠状位T1WI TSE(TR 537 ms, TE 8.2 ms, 矩阵大小384×202,FOV 360 mm×250 mm, 截面厚度3.5 mm, 层间距0.7 mm);轴位FS PD序列(TR 3210 ms, TE 39 ms, 矩阵大小384×202,FOV 360 mm×270 mm, 截面厚度3.5 mm, 层间距0.7 mm);冠状位FS PD序列(TR 3210 ms, TE 39 ms, 矩阵大小384×202,FOV 360 mm×250 mm, 截面厚度3.5 mm, 层间距0.7 mm)。
1.4 VNCa图像的后处理
所得双能CT图像使用Syngo Via CT 后处理工作站，选择双能选项卡中的BME软件对图像进行后处理，90 kV和Sn150 kV相对对比度设为1.45,平滑过滤器设置为4。VNCa图像呈现为伪彩图像，正常髓腔内显示蓝、紫色，BME的区域为绿色区域。
1.5 图像分析
由两名骨肌系统影像科医师(分别从事骨肌系统诊断6年、8年)在不知道临床诊断及MRI结果的情况下先后利用常规CT图像(A组)和常规CT与VNCa图像(B组)利用二分类法进行主观评分(0分：正常，1分：存在ONFH),如遇到诊断不一致的情况，则有一名高年资骨肌系统影像科医师(从事骨肌系统诊断15年)来决定，最终诊断结果以MRI为金标准予以确认。按照2019 ARCO股骨头坏死分期Ⅱ期诊断标准，将常规CT出现骨硬化、局灶性骨质疏松、或囊性改变，并且无软骨下骨折、坏死区骨折或股骨头塌陷记为1分。VNCa图像上正常髓腔内显示蓝、紫色，如发现正常蓝、紫色背景中出现绿色区域则认为存在BME,结合常规CT后诊断为ONFH记为1分。由高年资骨肌系统影像科医师评估MRI图像，并作为早期ONFH的诊断标准，同样对有无早期ONFH进行二分类主观评分。在冠状位上选取BME出现最大面积的层面对有BME所占范围进行评分，BME范围小于1/3股骨头及股骨颈面积为1分，范围在1/3～2/3股骨头及股骨颈面积之间记为2分，BME范围大于2/3股骨头及股骨颈面积为记3分，分别对VNCa图像及MRI图像上BME范围进行分。
1.6 统计学分析
使用spss 22.0软件进行统计分析。分别计算两名骨肌系统影像科医师对A组、B组诊断早期ONFH的敏感度、特异度、阳性预测值及阴性预测值，并进行一致性分析。A组、B组评估是否为早期ONFH分别与MRI诊断进行McNemar配对卡方检验。对VNCa图像及MRI评估股骨头BME范围采用t检验，P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
本研究共纳入28例患者，共37个髋关节，其中男18例，女10例，年龄36～69岁，中位年龄49岁。37个髋关节中，共有20个髋关节通过MRI诊断为早期ONFH,两名医师分别用两种方法判断ONFH的一致性较高(A组Kappa值=0.87,B组Kappa值=0.90)。单独使用常规CT 诊断ONFH与MRI比较具有明显统计学差异(Kappa=0.375,P=0.006),联合VNCa图像诊断ONFH与MRI比较没有明显统计学差异(Kappa=0.676,P=0.687)(图1、2),在VNCa图像上发现常规CT所示的骨小梁稀疏区显示为绿色区域，而硬化带形成的区域在VNCa图上表现为伪彩缺如，其他部位则以紫蓝色为主，其标识区域与MRI相当(图3),常规CT未发现右侧股骨头的确切病损区，但VNCa图上可以观察到右侧股骨头外上方近关节面有线状绿色区域，其所示BME范围同样被MRI所证实。常规CT及联合VNCa图像诊断的敏感度、特意度、阳性预测率及阴性预测率见表1,联合VNCa图像上发现有2个假阳性结果和4个假阴性结果。
对VNCa图像和MRI显示BME范围评分进行t检验P=0.759,表明VNCa图像和MRI显示BME范围没有明显统计学差异。
表1 常规CT图像及联合VNCa图像以MRI为标准诊断ONFH的灵敏度、特异度、阳性预测率及阴性预测率
3 讨论
ONFH的治疗策略取决于分期，根据股骨头坏死国际骨循环研究协会(association research circulation osseous, ARCO)分期，ONFH共分为4个阶段，1、2期通常指股骨头骨皮质塌陷之前，治疗策略倾向于保守治疗[3],一旦股骨头塌陷之后甚至出现髋关节炎，就只能进行髋关节置换[4]。MRI之所以能诊断早期ONFH是因为能进行骨髓成像[5],而BME是常见的诊断标志。有研究指出BME是股骨头髓内压力增高，抑制血液循环，可能代表疾病的进展及恶化[6],并且是引起患者疼痛的主要原因[7]。常规CT虽然对软骨下骨折的敏感性要远高于MR[8],能够准确鉴定晚期ONFH,但对于早期ONFH没有较为特异的表现，仅能通过股骨头内局部骨质疏松、硬化，囊变推测ONFH。对于无法进行MRI检测的患者，比如患有幽闭恐惧症或起搏器置入的患者，可能有早期ONFH的漏诊的情况 。
双能CT VNCa技术基于双能CT三物质分离算法，根据不同物质在高、低kVps独特的衰减特点进行分离，在骨质成像中，利用黄骨髓和红骨髓建立基线，将体素以钙的特征斜率投影到基线中，使得基线上体素之间的差异主被骨髓中的水的含量所影响，从而去除钙的影响，而获得BME的成像[9]。目前的研究主要集中于外伤、炎症及肿瘤引起BME的成像[10～13],少有研究针对ONFH的研究[14～16],还没有研究针对早期ONFH。本研究首次应用双能CT VNCa技术对早期ONFH进行诊断。
在本研究中，常规CT联合VNCa图像诊断早期ONFH是可行的，并且具有较高的灵敏度与特异度，同时具有较高的阳性预测率及阴性预测率。之前有多篇针对于髋关节疾病所引起的BME进行VNCa图像的研究，Kellock等[17]首先将VNCa技术应用于髋关节，对非移位性骨折进行了BME的观查，两名阅片者分别得到了较高的敏感度(77%、91%)和特异度(92%～99%)。Foti等[15]利用VNCa图像对非外伤髋关节疾病包括衰竭或应力骨折以及ONFH进行BME的检测，发现和MR相比其具有较高的整体诊断性，并且联合高分辨率CT,能对疾病做出较准确的诊断。Zuo等[16]搜集了45个早、晚期ONFH的髋关节，对比MRI观察VNCa图像对BME的检出能力，获得较高的敏感度(95%、89%)及特异度(96%、96%),并对BME区域选取ROI测定VNCa CT值，认为-57.2 HU是最佳临界值，其敏感度、特异度及准确率可达94%、100%和98%。本研究并未测量BME VNCa CT值，这是由于本研究中包含了15个2期ONFH,其中4个仅在MRI表现为“双线征”,周围并未见大面积的BME区域，无法放置感兴趣区(ROI)获得VNCa CT值。在本研究中，有2个假阳性结果和4个假阴性结果，假阳性结果来自两位分别为36、37岁的男性，认为这是受红骨髓模拟BME的影响，这也是其他研究中BME出现假阳性的主要原因[16]。而4个假阴性结果中，2个由于明显的骨质硬化导致VNCa图像局部伪彩的缺失，1个是轻度的骨质硬化使周围密度增高，MRI显示的BME区域在VNCa图像上表现与周围蓝紫色背景相近而没有显示绿色区域而被漏诊。由于这3个股骨头在常规CT上仅存在细微异常，无法排除其他疾病，且在VNCa图像显示为阴性，因此无法仅凭这两项检查做出ONFH的诊断，而在MRI上病变呈现“双线征”,因此诊断为ONFH 2期。另1个假阴性病例在MRI上显示为“双线征”,但常规CT没有明显的骨质硬化、骨质疏松区或囊变，而在VNCa图像上也没有看到明显提示BME的绿色区域，考虑这可能是因为ONFH起始于骨髓的脂肪坏死，为了包裹坏死区域在坏死骨周围出现血管化的肉芽组织[18],尚未发生BME,而肉芽组织能否在VNCa图像上成像也未有研究证实，并且本研究没有进一步的病理支持，因此对于MRI的“双线征”在VNCa图像上的成像还有待进一步的研究。有研究显示BME在ONFH的出现常与疾病的恶化和疼痛出现相关，预示可能进展为晚期[18,19],本研究对VNCa图像和MRI图像的BME范围进行了评分并对两者进行统计学分析，发现两者没有明显的统计学差异，说明VNCa图像能够很好地呈现BME的范围，有助于评估ONFH的严重程度及疾病进程。
图1 A～C男，52岁，酗酒10余年，因双髋疼痛5个月来就诊，右侧诊断为2期ONFH。
图2 A～C男，50岁，因酗酒30余年，双侧髋部疼痛1年余就诊，左侧诊断为2期ONFH。
图3 A～C女，39岁，因间断服用激素半年后出现双侧髋部疼痛就诊。
本研究存在一定的不足：(1)本研究的患者数量有限，由于早期ONFH患者常无明显症状或仅感不适不愿就医，大部分是由于另一侧为晚期需要手术治疗而就诊，且本研究的病例中2期ONFH占75%(15/20),缺少1期ONFH的患者，而2期患者常出现骨质硬化，使得常规CT诊断显示股骨头异常的特异性及阴性预测率提高，并且骨质硬化是造成VNCa假阴性的主要原因，使得联合VNCa后特异性和阴性预测率减低。(2)本研究缺少对BME的定量分析，是由于部分ONFH患者BME范围过小，无法选取合适的ROI,或者病灶内骨质硬化所引起周围伪彩的缺失所引起的。(3)本研究缺少病理对照，ONFH诊断仅以MRI作为标准，而对于出现VNCa图像阴性而MRI“双线征”现象也没有明确解读，这还需要进一步的病理支持。
综上所述，常规CT联合VNCa图像能够提高CT对早期ONFH的诊断性能，在MRI使用受限的情况下可以作为替代。
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